錨桿與錨索
1.錨桿（索）的種類與結構
錨桿是將拉力傳至穩定巖土層的構件，當采用鋼絞線或高強鋼絲束作桿件材料時，也可稱為錨索。錨固於土層中的錨桿稱為土層錨桿；錨固於巖層中的錨桿稱為巖層錨桿。施加了預應力的錨桿稱為預應力錨桿；未施加預應力的錨桿稱為非預應力錨桿。此外，錨桿的分類還有以下幾種主要方法。
1）按拉桿材料分為：木錨桿和金屬錨桿；
2）按錨頭類型分為：機械型（鍥縫式、內脹式）、膠結型（灌漿式、樹脂式）；
3）按照控制變形的施工方法分為：普通錨桿和預應力錨桿；
4）按使用年限分為：臨時性錨桿和永久性錨桿。
在邊坡崩塌或危巖體的錨固施工中，使用最多的是摩擦型灌漿錨桿。灌漿錨桿是指用水泥砂漿將壹組鋼拉桿錨固在伸向地層內部的鉆孔中，並承受拉力的柱狀錨體。灌漿錨桿的鉆孔方向壹般沿水平向下傾斜10°～45°，施工時鉆孔的深度必須超過滑動面的埋深，並在穩定的巖土層中達到足夠的有效錨固長度。習慣稱錨桿末端錨入巖土層內的有效錨固段所能承受的最大拉力為錨固段的極限抗拔力。影響灌漿錨桿抗拔能力的主要因素是砂漿的握裹能力。因此為了保證灌漿錨桿的可靠性，必須調查清楚邊坡巖土體的基本特征，依據巖土性質設計錨桿的參數。灌漿錨桿的組成如圖2－14所示。
2.錨固作用的原理
錨桿是由錨固體、拉桿和錨頭3部分組成。構築物或其他作用力傳給錨桿頭部後，由拉桿將來自錨桿頭部的拉力傳遞給錨固體，錨固體再通過摩擦阻力傳給巖土層。
錨桿的受力分析如圖2－15所示。錨桿所受的力主要有：①拉力（T）；②砂漿的握裹力（μ）；③地層摩擦阻力（τ）。其中，Ti＝PiA（Pi為鋼筋單位截面上的應力；A為鋼筋的截面積）。
圖2－14 灌漿錨桿組成示意圖
圖2－15 灌漿錨桿受力狀態示意圖
錨桿的抗拔作用需要滿足的條件為：①錨固段的砂漿對於鋼拉桿的握裹力需能承受極限拉力；②錨固段巖土層對於砂漿的摩擦力需能承受極限拉力；③錨固巖土體在最壞的條件下仍能保持整體的穩定性。
（1）砂漿對於鋼拉桿的握裹力
錨桿的抗拔能力除與有效錨固長度有關外，還與錨桿直徑、砂漿對於鋼筋的平均握裹應力等因素有關。需滿足以下關系式：
地質災害防治技術
式中：Tu為錨桿的極限抗拔力或砂漿對鋼拉桿的握裹力（kN）；d為鋼拉桿的直徑（m）；Le為錨桿的有效錨固長度（m）；μ為砂漿對於鋼筋的平均握裹應力（kN/m2）。
鋼筋的單位面積握裹力，由下式計算：
地質災害防治技術
式中：Ti、Ti＋1分別為第i、i＋1截面處的拉應力（kN）；μi為第i錨固段砂漿對於鋼筋的平均握裹應力（kN/m2）；Li為第i錨固段的長度；其他符號意義同前。
由於錨固受力復雜，實際工作中，壹般在計算值的基礎上提高10％～20％。設錨桿鋼筋的極限拉應力為Ns，則可按下式計算出錨桿所需的最小錨固長度：
地質災害防治技術
式中：Lemin為最小錨固長度；其他符號意義同前。
（2）錨固段巖土層對於砂漿的摩擦力
錨桿的極限抗拔能力取決於錨固段巖土層對於砂漿所產生的最大摩擦力。計算公式為
地質災害防治技術
式中：Tu為柱狀錨體的極限抗拔力（kN）；D為錨桿鉆孔的直徑（m）；Le為錨桿的有效錨固長度（m）；τ為錨固段周邊的抗剪強度（kPa）。
錨固段孔壁的抗剪強度就是孔壁的破壞強度。造成破壞的原因有3種：①砂漿接觸面外圍的巖層剪切破壞；②沿著砂漿與孔壁的接觸面剪切破壞；③接觸面內砂漿的剪切破壞。
對於土層錨桿來說，土層的強度壹般低於混凝土砂漿的強度，因此土層抗剪強度的計算公式為
地質災害防治技術
或
地質災害防治技術
式中：γ為錨固區土層的重度（kN/m3）；c為錨固區土層的粘聚力（kPa）；?為土的內摩擦角（°）；σ為孔壁周邊法向應力（kPa）；h為錨固段以上的地層覆蓋厚度（m）；K0為錨固段孔壁的土壓力系數，壹般取為1；其他符號意義同前。
3.錨桿（索）設計
（1）錨桿（索）材料類型
錨桿（索）常用的材料類型為普通鋼筋（HRB335、HRB400（Ⅱ級、Ⅲ級））、精軋螺紋鋼筋、高強鋼絲或鋼絞線。我國常用的錨拉材料為精軋螺紋粗鋼筋，直徑為Φ22～32mm。近年來，也采用45SiMnV高強度鋼材，直徑為Φ25mm，另外不少也使用鋼絞線、鋼絲束。各種材料類型錨桿的選取見表2－12。
表2－12 錨桿（索）選型
鋼絞線或精軋螺紋鋼筋的力學性能見《建築邊坡工程技術規範》（GB 50330—2002）附錄E。邊坡變形控制嚴格或邊坡施工期穩定性很差時宜采用預應力錨桿。
（2）錨桿（索）計算
錨桿（索）軸向拉力設計值按下式計算：
地質災害防治技術
式中：Na為錨桿（索）軸向拉力設計值（kN）；NaK為錨桿（索）軸向拉力標準值（kN）；γα為荷載分項系數，取1.3，當可變荷載較大時，按荷載規範確定。
錨桿（索）軸向拉力標準值按下式計算：
地質災害防治技術
式中：NaK為錨桿（索）軸向拉力標準值（kN）；Htk為錨桿（索）所受水平拉力標準值（kN）；α為錨桿（索）傾角（°）。
錨桿鋼筋截面積應滿足下式要求：
地質災害防治技術
式中：As為錨桿鋼筋或預應力鋼絞線截面積（m2）；ξ2為錨桿鋼筋抗拉工作條件系數，永久性錨桿取0.69，臨時性錨桿取0.92；γ0為邊坡工程重要性系數；fy為錨桿鋼筋或預應力鋼絞線抗拉強度設計值（kPa）；其他符號意義同前。
錨桿錨固段長度除應同時滿足地層對砂漿的粘結力和砂漿對鋼筋的握裹力要求外，還應滿足構造設計規定的最小錨桿錨固長度的要求。
錨桿錨固體與地層的錨固長度應滿足下式要求：
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式中：La為錨固段長度（m）；D為錨固體直徑（m）；frb為地層與錨固體粘結強度特征值（kPa），宜通過試驗或當地經驗確定，當無試驗資料時，可按表2－13和表2－14選取；ξ1為地層與錨固體粘結工作條件系數，永久性錨桿取1.00，臨時性錨桿取1.33；其他符號意義同前。
表2－13 巖石與錨固體粘結強度特征值
註：表中數據適用於註漿強度等級為M30；表中數據僅適用於初步設計，施工時應通過試驗檢驗；巖體結構面發育時，取表中下限值；表中巖石類別根據天然單軸抗壓強度（fr）劃分：fr<5MPa為極軟巖，5MPa≤fr<15MPa為軟巖，15MPa≤fr<30MPa為較軟巖，30MPa≤fr<60MPa為較硬巖，fr≥60MPa為硬巖。
表2－14 土體與錨固體粘結強度特征值
註：表中數據適用於註漿強度等級為M30；表中數據僅適用於初步設計，施工時應通過試驗檢驗。
錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度應滿足下式要求：
地質災害防治技術
式中：La為錨固段長度（m）；D為錨筋直徑（m）；n為錨筋根數（根）；fb為錨筋與錨固砂漿間的粘結強度設計值（kPa），宜通過試驗或當地經驗確定，當無試驗資料時，可按表2－15選取；ξ3為錨筋與錨固砂漿粘結強度工作條件系數，永久性錨桿取0.60，臨時性錨桿取0.72；其他符號意義同前。
表2－15 錨筋與錨固砂漿間的粘結強度設計值（單位：MPa）
註：當采用兩根鋼筋點焊成束方法時，粘結強度應乘以0.85折減系數；當采用3根鋼筋點焊成束方法時，粘結強度應乘以0.7折減系數；成束鋼筋的根數不應超過3根，鋼筋截面總面積不應超過錨孔面積的20％。當錨固段鋼筋和註漿材料采用特殊設計，並經試驗驗證錨固效果良好時，可適當增加錨筋用量。
自由段無粘結的非預應力巖石錨桿的受拉變形基本上是自由段鋼筋的彈性變形，其水平變形值由下式計算：
地質災害防治技術
式中：δb為錨桿水平變形值（m）；Htk為錨桿所受水平拉力標準值（kN）；Kb為錨桿水平剛度系數（kN/m）。
錨桿水平剛度系數宜由錨桿試驗確定。當無試驗資料時，自由段無粘結的非預應力巖石錨桿的水平剛度系數可由下式計算：
地質災害防治技術
式中：A為錨桿截面面積（m2）；Lf為錨桿自由段長度（m）；Es為桿體彈性模量（kPa）；其他符號意義同前。
預應力巖石錨桿和全粘結巖石錨桿的受拉變形可忽略不計。
4.錨桿構造要求
1）錨桿總長度為錨固段、自由段和外錨段的長度之和。錨桿自由段長度按外錨頭到潛在滑動面的長度計算，預應力錨桿自由段長度應不小於5m，且應超過潛在滑動面。
2）土層錨桿錨固段長度不應小於4m，且不宜大於10m；巖石錨桿錨固段長度不應小於3m，且不宜大於45D和6.5m（對拉力型錨桿），或55D和8m（對預應力錨索）。當計算錨桿錨固段長度超過上述數值時，應采取擴大錨固段直徑等技術措施，以提高錨固力。
3）錨桿隔離架（或稱對中支架）應沿錨桿軸線方向每隔1～3m設置壹個，對土層應取小值，對巖層可取大值。
4）當錨固段巖體破碎、滲水量大時，宜在錨桿施工前對巖體作固結灌漿處理。
5）錨桿外錨頭、臺座、腰梁和輔助件等的設計，應符合現行有關標準的規定。
6）永久性錨桿的防腐處理可采取以下做法：①非預應力錨桿的自由段位於土層中時，可采取除銹、刷瀝青船底漆、瀝青玻纖布纏裹（層數不少於2層）；②對采用鋼絞線、精軋螺紋鋼制作的預應力錨桿（索），其自由段可按上述處理後裝入套管中；自由段套管兩端100～200mm長度範圍內用黃油充填，外繞紮工程膠布固定；③對位於無腐蝕性巖土層內的錨固段應除銹，砂漿保護層厚度不應小於25mm；④位於具腐蝕性巖土層內錨桿的錨固段及非錨固段，均應采取特殊防腐處理；⑤經過防腐處理後，非預應力錨桿的自由段外端應埋入鋼筋混凝土構件內50mm以上；對預應力錨桿，其錨頭的錨具經除銹、塗防腐漆三度後應用鋼筋網罩，現澆混凝土封閉，混凝土強度等級不應低於C30，厚度不應小於100mm，混凝土保護層厚度不應小於50mm。
7）臨時性錨桿的防腐蝕可采取以下做法：①非預應力錨桿的自由段，可采取除銹後刷瀝青防銹漆處理；②預應力錨桿的自由段，可采取除銹後刷瀝青防銹漆或加套管處理；③外錨頭可采用外塗防腐材料或外包混凝土處理。